植物CMS與線粒體基因的亞化學計量位移

王姍 胡駿

摘 要 細胞質雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility，CMS）是在經典遺傳學時代即被發現的尤為普遍的生物學現象，其主要表現為雄配子異常，花粉敗育，但是雌配子可以正常發育。細胞質雄性不育不僅為植物生殖發育、核質互作、線粒體基因組等方面提供了基礎生物科學研究系統，也在農作物雜種優勢利用方面展現出了重大的經濟價值。大量研究表明，多數CMS基因是線粒體嵌合基因，而線粒體DNA分子不僅在結構上有頻繁改變的傾向，而且時有亞化學計量位移事件發生。基于此，將主要圍繞植物CMS與線粒體基因亞化學計量位移的關系進行簡要分析，以期在基因組水平上提供一些見解。

關鍵詞 細胞質雄性不育;基因組水平;線粒體基因;亞化學計量位移

中圖分類號：Q37 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.11.003

1 植物CMS簡介

植物無法產生正常功能的雄配子而雌配子發育正常，此種現象在經典遺傳學時代即被多次提及，當前研究中一般將其稱之為雄性不育，當這種雄性不育采用胞質遺傳（母系遺傳）方式時即為細胞質雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility， CMS）。細胞質雄性不育是由于核基因和線粒體基因之間的互作影響了植物花藥的絨氈層和正在進行減數分裂的細胞，從而導致植物體花粉敗育，且此種雄性不育以胞質遺傳。據統計，通過自發突變或者人工突變而產生細胞質雄性不育現象的植物已經超過150種[1-2]。細胞質雄性不育不僅為植物生殖發育、核質互作、線粒體基因組等方面提供了基礎生物科學研究系統，也在農作物雜種優勢利用方面展現出了重大的經濟價值。自20世紀20年代獲取首批商業化的雜交種子以來，已經在水稻、大麥和油菜等農作物中建立了雜交育種系統，其在實際生產應用中對于提高農作物產量的意義不容小覷，小麥、大麥、水稻、油菜和菜豆的產量分別提高了3.5%～15%、11%、55%、200%和47%[2-3]。

雄性不育現象無論是在經典遺傳學方面還是現代分子生物學水平上，一直以來都是科學家們研究的熱點，而CMS作為雄性不育的類型之一，其在雜交育種上的優良表現促使人們不斷挖掘和鑒定更多CMS基因及其分子機理并加以利用。在眾多不同的農作物中，解析不育基因功能將成為雜交育種這一目標達成的首要內容。盡管研究人員已經在確定大量CMS基因及其恢復機制模型等領域取得了一定成效，但在植物雄性育性的復雜性和多樣性方面，仍然留有較多問題亟待闡明。值得注意的是，基于大量研究分析和試驗事實，多數CMS基因是線粒體基因組重排的結果，且部分CMS基因可以編碼跨膜蛋白，有較多重要的線粒體基因參與了CMS基因的形成過程[4]。

2 植物線粒體基因組

對于真核生物而言，線粒體是非常重要的細胞器。盡管有關線粒體起源的問題仍然存在爭議，但目前內共生理論相較于其他假說理論似乎得到了較為廣泛的認可，該理論傾向于支持線粒體的α-變形菌起源假說[5]。Fan等開創性地運用了系統性物種替換和交叉驗證的策略，再一次驗證了線粒體的α-變形菌起源說，同時第一次對α-變形菌的4個進化主類群進行了定義，其認為線粒體有著起源于α-變形菌Ⅱb分支的較大可能[6]。

大部分被子植物的細胞質基因組都是母系遺傳。由于線粒體缺乏用來檢查復制錯誤的能力，因此線粒體DNA（mtDNA）的變異速率比細胞核DNA（一般所指的DNA）更快。線粒體的突變速率快，使mtDNA能夠用來較為精確地追溯出母系祖先，并作為種屬分類依據。

含有大量不同大小和數目的重復序列是植物線粒體基因組十分重要的特征。研究人員通常將這些重復序列劃分為大重復片段（大于500 bp，可能參與頻繁的同源重組）、中等重復片段（大小介于50～500 bp，參與不頻繁的異位重組）以及小重復片段（小于50 bp，可能促進非常規的微同源介導的重組）。通常認為植物線粒體基因組的進化速度較葉綠體基因組、核基因組低，且同一基因組內基因之間的進化速率較為一致，但植物的線粒體基因突變速率低于葉綠體基因，研究植物DNA條形碼更多使用的是葉綠體基因組。部分研究報道提示，有關植物線粒體基因組組織結構形式方面的爭議仍然存在，目前已經普遍達成共識的是其與一些噬菌體基因組的結構類似的環形表示方式很有可能是人為虛構的。同時，植物線粒體基因組替代速率具有多樣性特點，對線粒體基因組內同義替代速率異質性產生的機制進行的有關研究為其復雜性演化理論提供了支持。研究者認為，植物營養組織中的線粒體基因組主要由分支分子、線性串聯體和環形可置換線性分子的混合物構成[7]。

3 植物CMS與線粒體基因的亞化學計量

位移

植物線粒體基因組中存在重排DNA分子化學計量的急劇變化，導致線粒體DNA構型濃度相對于主導構型濃度有顯著變化的現象稱為亞化學計量位移。目前，已經在部分植物中對此種現象進行了探討，包括玉米、煙草、菜豆、甘藍型油菜等，在水稻中偶有提及[8]。

具有細胞質雄性不育特性的玉米是雜種優勢利用的重要種質資源，是研究核質互作的理想材料，具有重要的應用價值，且玉米CMS-C具有抗玉米小斑病T小種和育性相對穩定等優點。研究人員在比較玉米的雄性不育和可育細胞質中保守基因atpA的結構和拷貝數時，對亞化學計量位移這種現象進行了描述。研究發現，占據主導地位的atpA類型取決于所研究品系的細胞質，甚至在N、T、C或S的分類內部也有所不同。此外，對許多不同細胞核或者細胞質組合形式的調查研究表明，細胞核基因型似乎并不影響哪種atpA類型在任何細胞質中均占主導地位。另外，研究結果還顯示，大多數（但不是全部）的N和S細胞質包含兩種主要的atpA類型，在那些僅包含一種主要的atpA類型的N和S細胞質中，另一種含量水平很低但總是可以檢測到的預期類型似乎存在。基于后續試驗，進一步推測這些亞化學計量分子有著起源于由線粒體基因組同源區域之間比較罕見的重組事件的可能[9]。

類似地，在研究菜豆自發逆轉育性事件時，采用PCR擴增的方法，使用位于atpA基因3'端（位于pvs的5'端）和pvs-orf239 3'端的序列作為引物來擴增pvs構型獨特的4 437 bp的片段。結果發現，來自育性回復系WPR-3的PCR擴增片段在溴化乙錠染色后的凝膠電泳中幾乎是不可見的，但在隨后的DNA印跡雜交試驗Southern blotting中又可以證實該片段的確存在。上述結果表明，pvs序列在逆轉后不會從CMS系的線粒體基因組中丟失，而是以亞化學計量形式存在。同時，試驗中向細胞器孵育試驗的反應體系中分別添加線粒體DNA復制抑制劑和細胞核DNA復制抑制劑時，獲取到的試驗結果證實了上述過程是從頭開始的線粒體DNA合成，還發現一旦DNA拷貝數增加，pvs-orf239序列在回復體中就具有轉錄活性，而考慮到從回復體的整個植物組織純化得到的線粒體中均沒有檢測到pvs-orf239轉錄本，足見這一發現十分關鍵[10]，說明其中pvs-orf239的亞化學計量形式的拷貝數足夠低，以使其有效沉默。但是基于這些試驗尚且無法得出pvs-orf239序列在回復子中是完全沉默的結論，因為也有可能轉錄本是以低于檢測水平的形式存在。在線粒體孵育后的細胞器翻譯試驗中，也證明了孵育后ORF239蛋白的積累。在WPR-3系中檢測到較低但其含量清晰可見的水平，該結果表明，即使在孵育前和在從整個植物組織制備的線粒體中都檢測不到pvs-orf239序列的表達，也可以在pvs-orf239序列擴增后檢測到pvs-orf239序列的表達[11]。綜上所述，這些結果傾向于支持這樣的假設，即線粒體基因組位移是一種可逆的事件，某分子維持在低于化學計量水平（即亞化學計量水平）時，其表達可能處于受抑制的狀態，但是一旦擴增到閾值以上的水平，其轉錄和翻譯能力就會逐步顯現甚至開始增強[12]。

4 總結與展望

在許多物種的細胞質雄性不育植株中，都有自發的恢復生育的記錄，其頻率受核遺傳背景的影響。被子植物線粒體基因組在大小、結構、基因及內含子數量等方面均具有多樣性，這一特征使得線粒體基因組成為研究基因組復雜性的理想系統。盡管大量CMS基因已經得以鑒定，但在植物雄性育性的復雜性和多樣性方面，仍然留有較多問題亟待闡明。植物細胞的線粒體基因組的大小差別很大，最小的為100 kb左右，大部分由非編碼的DNA序列組成，且有許多短的同源序列，同源序列之間的DNA重組會產生較小的亞基因組環狀DNA，與完整的“主”基因組共存于細胞內，因此植物線粒體基因組的研究更為困難。同時，多數CMS基因是線粒體嵌合基因的試驗事實表明，有必要從線粒體基因組水平對相關問題加以探討。有研究報道證明，亞化學計量位移事件的發生是由于特定中等重復片段的重組活性發生了變化，這種重組通常是采取不對稱的形式進行，盡管不對稱重組已得到充分證實，但尚不清楚其是否包含構成亞化學計量位移事件基礎的唯一機制，相關科學問題的透徹解析仍需更多研究加以闡明。

參考文獻：

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（責任編輯：劉 昀）